Что можно использовать вместо шарикоподшипника? 9 заменителей в сравнении по нагрузке, скорости и стоимости

В прошлом сезоне к нам пришел инженер по подбору колес для складных тележек для покупок с заклинившим подшипником 608 в одной руке и изношенной нейлоновой втулкой в ​​другой. Ее вопрос не имел никакого отношения к нашему каталогу: что можно использовать вместо шарикоподшипника? Стальной образец проржавел за одно влажное прибрежное лето, пластиковый образец приобрел овальную форму за три недели испытаний, и она была готова отказаться от технологии, а не от спецификации.

Прямой ответ: втулки с простой втулкой, пропитанные маслом спеченные втулки, игольчатые и другие роликовые подшипники, вставки из ПТФЭ и других полимеров, а также – в крайнем плане стоимости и сложности – жидкостно-пленочные, воздушные, магнитные и изгибные опоры — все это действительно заменяет шарикоподшипник. Для небольших мастерских часто бывает достаточно простых шайб с низким коэффициентом трения.

В этом руководстве рассматривается каждый проверенный заменитель с цифрами, которые определяют выбор — нагрузка, скорость, трение и стоимость единицы — а затем показано, как распознать, когда изменение варианта внутри семейства шарикоподшипников является более разумной заменой. Сравнения основаны на ежедневном производстве миниатюрных подшипников и подшипников малого диаметра, а не только на теории.

Почему инженеры и покупатели ищут замену шарикоподшипнику

Поиски замены почти всегда начинаются с одной из шести неудач. Выявление вашего в первую очередь предотвращает самую дорогостоящую ошибку в этой области: замену подшипника качения на подшипник скольжения из-за проблемы с ржавчиной, а затем обнаружение того, что новая втулка не может выдержать скорость, с которой легко справлялась оригинальная.

Каждый водитель указывает на другую замену. Шум подталкивает вас к полимерам. Нагрузка толкает вас к роликам. Коррозия подталкивает вас к нержавеющей стали или, по ошибке, к пластику. Поскольку шесть причин ведут в шести направлениях, вопрос «что я могу использовать вместо этого» не имеет однозначного ответа; у него есть путь решения. Остальная часть этой статьи посвящена этому пути.

Реалистичные заменители с первого взгляда

В таблице ниже приведены заменители, которые используются в реальном производстве, а не только в темах форумов. Отнеситесь серьезно к столбцу лимитов: большинство неудачных замен происходит потому, что замена была выбрана на основе ее силы, а ее лимит игнорировался.

Для ориентации вспомните, что делает шарикоподшипник настолько хорошо, что он стал стандартом по умолчанию: трение качения около 0,0015, радиальная и осевая нагрузка, воспринимаемая одной стандартизированной деталью, взаимозаменяемость размеров по всему миру и формула номинального срока службы (L10 равна (C/P) в кубе миллионов оборотов для типов шариков), которая позволяет прогнозировать срок службы до создания прототипа. Любой заменитель должен бить шарикоподшипник хотя бы по одной оси, не разрушаясь при этом по остальным.

Подшипники скольжения: когда втулка лучше шарикоподшипника

Подшипник скольжения — это простейшая из существующих вращающихся опор: вал вращается непосредственно внутри отверстия, отделенный только пленкой масла или полимером с низким коэффициентом трения. Канал может быть изготовлен из спеченной бронзы, пропитанной маслом, обработанной латуни, чугуна или, что все чаще, формованного ацеталя (ПОМ) или нейлона. Не имея шариков, сепараторов и уплотнений, эта деталь дешева в формовании или спекании миллионами, бесшумна и почти невосприимчива к ударным нагрузкам, которые могут повредить дорожку качения.

Подберите втулку по значению PV — давление подшипника в Н/мм², умноженное на скорость поверхности в м/с. Типичная спеченная бронза, пропитанная маслом, выдерживает PV около 1,7 Н/мм²·м/с; сухой ацеталь обходится на порядок меньше; Составы из наполненного ПТФЭ сильно различаются в зависимости от содержания наполнителя. При превышении предельного значения тепло трения размягчает полимер или карбонизирует масляную пленку, а износ ускоряется нелинейно. Рабочий пример: вал диаметром 8 мм при 500 об/мин имеет скорость поверхности примерно 0,21 м/с. Втулка из спеченной бронзы длиной 10 мм имеет проекционную площадь 80 мм², поэтому при 2 Н/мм² она выдерживает около 160 Н при PV 0,42 — вполне в пределах допустимого. Тот же вал при 5000 об/мин увеличивает скорость поверхности до 2,1 м/с, а PV превышает практический потолок, и именно поэтому втулки хорошо себя чувствуют в прототипе и плохо работают в производстве.

Втулка хороша настолько, насколько хорош вал, на котором она работает. Запланируйте шлифованный вал с шероховатостью поверхности около Ra 0,2–0,8 мкм, твердостью примерно 40 HRC для длительного срока службы и диаметральным рабочим зазором около 0,2–0,5% от диаметра вала — около 0,02–0,05 мм на штифте диаметром 8 мм. Недоработанные валы сначала полируют канал ствола, затем натирают, а затем заедают.

• Выбирайте втулку, когда скорость поверхности остается ниже примерно 1 м/с.
• Выбирайте его, когда нагрузка статична или медленно колеблется — петли, шарниры подвески, точки зажима.
• Выбирайте его, когда тишина на низкой скорости важнее точности бега.
• Выбирайте его, когда стоимость единицы продукции при больших объемах имеет решающее значение.
• Выбирайте его для грязных сред, где смазка подшипников может привести к попаданию пыли в дорожку качения.
• Выбирайте его, когда радиальное пространство меньше, чем позволяет даже шарикоподшипник тонкого сечения.

Знайте, где втулка проигрывает: постоянная высокая скорость (нагрев), прецизионное позиционирование (рабочий зазор становится видимым на колесе) и комбинированные радиально-осевые нагрузки (для простой втулки нужна отдельная упорная шайба). Стартовое трение во втулке с граничной смазкой может в два-пять раз превышать рабочее трение, что важно для оборудования с периодическим запуском.

Роликоподшипники: замена для высоких нагрузок

Если причиной отказа от шарикоподшипников является нагрузка, правильной заменой обычно является не подшипник скольжения, а другой подшипник качения. Ролики соприкасаются с дорожкой качения вдоль линии, а не в какой-то точке, поэтому одна и та же сталь в одной и той же оболочке выдерживает значительно большую нагрузку — обычно в три-пять раз превышает динамический рейтинг шарикоподшипника равного диаметра.

Игольчатые роликоподшипники

Игольчатые подшипники с вытянутым кольцом, такие как серия HK, подходят к тому же отверстию корпуса, что и сопоставимый шарикоподшипник, при этом увеличивая радиальную грузоподъемность. HK0808 — диаметр отверстия 8 мм, внешний диаметр 12 мм, ширина 8 мм — обеспечивает динамическую нагрузку около 5–6 кН против примерно 3,3 кН для шарикоподшипника 608. Компромиссы: почти полное отсутствие осевой направляющей, небольшой допуск на перекос вала, необходимость закаленного и шлифованного вала или закаленного внутреннего кольца, а также тонкая вытянутая внешняя чашка, которой требуется точная стенка корпуса, чтобы удерживать свою форму. Используйте иглы для натяжных шкивов, коромысел, шарнирных пальцев и валов насосов — мест, где нагрузка росла, а огибающая не могла.

Цилиндрические и конические роликовые подшипники

Когда нагрузки превышают все, что может выдержать шарикоподшипник, цилиндрические ролики обеспечивают максимальную радиальную грузоподъемность и жесткость, а конические ролики воспринимают комбинированную радиальную и осевую нагрузку в одном узле, поэтому они используются в ступицах колес и тяжелых конвейерных шкивах. Затраты реальны: больше шума, большие и более точные размеры корпуса и плеч, чувствительный монтаж с помощью контргаек и плохая устойчивость к перекосу в цилиндрическом формате. Обычной профессиональной практикой является разделение работы — цилиндрический ролик для тяжелого радиального компонента плюс отдельный упорный узел — вместо того, чтобы заставлять один тип подшипника делать все.

Полимерные решения: ПТФЭ, нейлон и ацеталь.

Замена полимера происходит на трех уровнях: шайбы и колодки для цеховых сборок, формованные втулки для объемных изделий и ролики с полимерным протектором, сочетающие сердечник шарикоподшипника с пластиковой рабочей поверхностью. На графике ниже показано, почему первые два уровня обменивают трение на все остальное.

Шайбы и колодки из ПТФЭ

Для медленных, слегка нагруженных конструкций — откидных крышек, ленивых сьюзенов, креплений для камер — шайба из ПТФЭ между двумя твердыми поверхностями — самая дешевая вращающаяся опора из существующих. Он никогда не подвергается коррозии, бесшумен и противостоит прерывистому скольжению, что важно при плавной регулировке. Его ограничениями являются ползучесть при длительной нагрузке, быстрый износ в абразивной пыли и нулевая точность позиционирования. Дизайнеры продлевают срок его службы, сочетая лист ПТФЭ с полированной или твердохромированной контрповерхностью или выбирая марки ПТФЭ со стекло- или бронзовым наполнителем, которые устойчивы к хладотекучести.

Втулки из нейлона и ацеталя

Втулки из формованного нейлона и ПОМ — это то, что используется в большинстве потребительских товаров там, где шарикоподшипник кажется излишним: игрушки, шарниры для мебели, дверцы для мелкой бытовой техники. Они тихие, не ржавеют и при объёме стоят копейки. Посмотрите три объекта недвижимости. Во-первых, влага: нейлон впитывает воду — несколько процентов от своего веса при насыщении — и набухает настолько, что в сухом состоянии зазор становится правильным, поэтому не допускайте использования нейлона во влажной среде или создайте большой зазор. Ацеталь почти ничего не впитывает и является более безопасным выбором для влажной уборки. Во-вторых, ползучесть: под длительной сжимающей нагрузкой при комнатной температуре оба полимера текут, медленно закрывая зазор. В-третьих, температура: прочность резко падает, приближаясь к 80–100°С, поэтому ввод, работающий на холодной линии, может выйти из строя внутри обогреваемого корпуса. Для обоих существуют сорта, предназначенные для контакта с пищевыми продуктами, и это одна из причин, по которой полимерные втулки вытесняют металлические в оборудовании для пищевых продуктов.

Третий уровень полимера — это ролик с покрытием: протектор из полиуретана или мягкого пластика, приклеенный к сердечнику шарикоподшипника. Этот гибрид сохраняет коэффициент трения подшипника 0,0015, в то время как протектор поглощает вибрацию, смягчает контакт, защищает полы и рельсы и защищает дорожку качения от брызг. Это стандартный ответ для коньков, колес тележек, колясок и конвейерных линий — и это мост между «заменителем» и «модернизированным подшипником», который развивается в следующем разделе.

Жидкостные, воздушные, магнитные и изгибные опоры

Четыре бесконтактные технологии заменяют шарикоподшипники, где ограничением становятся сами тела качения. Они редко встречаются в повседневных продуктах, поскольку каждый из них несет в себе инфраструктуру, но знание того, когда они применяются, определяет разницу между предположениями и уточнениями.

Жидкостно-пленочные (гидродинамические) опорные подшипники

Коленчатый вал каждого автомобиля вращается на жидкой пленке, а не на шариках: на скорости клин масла под давлением полностью разделяет вал и подшипник, поэтому металл никогда не касается металла, а усталостная долговечность теоретически неограничена. Требованиями являются непрерывное вращение, фильтрация масла, тщательно продуманные зазоры и канавки, а также допустимый износ при каждом запуске и остановке. При скорости ниже нескольких сотен об/мин пленка никогда не образуется. Это замена большим, непрерывно работающим машинам, а не маленьким механизмам.

Воздушные подшипники

Сжатый воздух, удерживаемый в зазорах микронного уровня, поддерживает ротор практически без трения и частиц износа. Стоматологические наконечники на воздушных подшипниках развивают скорость более 300 000 об/мин; прецизионные шлифовальные шпиндели и метрологические этапы полагаются на них для обеспечения биения нанометрового уровня. Затраты: подача чистого, сухого, фильтрованного воздуха, грузоподъемность, ограниченная давлением подачи, и цена, намного превышающая цену любого подшипника качения. Указывайте воздух только в том случае, если речь идет о скорости или точности.

Магнитные подшипники

Активные электромагниты поднимают ротор без контакта, без смазки и загрязнения — именно по этой причине их используют турбомолекулярные вакуумные насосы и маховики для хранения энергии. Зависимость — это подвох: управляющая электроника, датчики и резервные посадочные подшипники на случай потери мощности. Для обычной машины магнитная поддержка — это скачок затрат на порядок, который решает проблемы, которых нет у большинства продуктов.

Гибкие и совместимые шарниры

Флексура — это монолитный пружинный элемент, который сгибается, а не катится: никакого трения, никакого люфта, никакого прилипания, никаких частиц и ничего, что можно было бы смазать — никогда. Ограничением является перемещение: изгибы допускают небольшие углы наклона, а не непрерывное вращение, а нагрузка ограничивается напряжением пружины. Прецизионные весы, зеркала для оптических сканеров, полупроводниковые столики и микророботы, которые физически не могут разместить тела качения, — все они живут на изгибах. В крошечных роботах податливые соединения качения воспроизводят естественное поведение суставов именно потому, что шарики и дорожки становятся слишком большими, чтобы их можно было упаковать.

Прежде чем делать замену: сопоставьте исправление с реальной ошибкой

Теперь другая половина ответа. Анализируя запросы, связанные с вопросами о замене, можно сделать вывод, что четыре фактора охватывают подавляющее большинство: коррозия, шум, нагрузка и посадка. В каждом случае есть два выхода — оставить подшипниковую семью или поменять подшипник, чтобы драйвер исчез. Второй выход обычно дешевле, быстрее проверяется и снижает риск.

Если бы Руст начал поиски

Подшипник из хромированной стали, который заклинивает после сезона на открытом воздухе, не доказывает, что шарикоподшипники не выдерживают воздействия окружающей среды; это доказывает, что был указан неправильный материал. Варианты из нержавеющей стали сохраняют тот же корпус, что и серия 608, при этом весь путь нагрузки перемещается на коррозионностойкую сталь, а резиновые контактные уплотнения не допускают попадания влаги в дорожку качения, не позволяя ей скапливаться на шариках.

Качество материала имеет такое же значение, как и решение использовать нержавеющую сталь. Мартенситная сталь 440C затвердевает до того же класса твердости, что и хорошая подшипниковая сталь, поэтому она сохраняет полную грузоподъемность; Аустенит 304 выигрывает по химической стойкости, но не может затвердевать, что ограничивает его несущую способность. В случае солевого тумана и разбавленных кислот рассмотрите вариант подшипников из нержавеющей стали AISI 440C, прежде чем выбирать по умолчанию 304, и подбирайте материал уплотнения в соответствии с химическим составом, а не только кольца.

Если жалоба – это шум

Шум во вращающемся колесе имеет три источника: поверхность дорожки качения внутри подшипника, загрязнения, попавшие перед сборкой, и твердый протектор, передающий вибрацию в корпус. Полимерный протектор напрямую атакует третий источник — слой эластомера отделяет дорогу или рельс от конструкции, поэтому колеса с полиуретановым покрытием преобразили акустику тележки, коляски и скейта.

Когда шум должен исчезнуть внутри машины, а не на полу, правильным решением будет выбор и классификация подшипника с низким уровнем вибрации, а не изменение технологии: герметичные малошумные радиальные подшипники с контролируемой отделкой дорожек качения и конструкцией сепаратора существуют именно для этой спецификации.

Если нагрузка переросла номинал

Отслаивание дорожек качения означает, что приложенная нагрузка превысила динамический рейтинг, и честным решением является диаметр большего отверстия, роликовый подшипник или большее количество шариков в одном и том же отверстии. Удвоение рядов увеличивает производительность в компактном корпусе, а также позволяет противостоять моментным нагрузкам, которые опрокидывают один ряд.

Выбор между двухрядным шарикоподшипником и игольчатым подшипником зависит от пространства и направления: игла выигрывает по чистой радиальной емкости на миллиметр, двухрядный выигрывает, когда требуется некоторая осевая нагрузка и самонаведение.

Если проблема в посадке

Часто истинная причина, по которой кто-то хочет «другой тип подшипника», заключается в том, что ни один размер из каталога не подходит: внутреннее кольцо должно выступать, чтобы посадить шкив, ширина нестандартна, колесу нужен встроенный фланец для фиксации в пластиковом корпусе, или вал имеет нечетный диаметр, унаследованный от старой конструкции. Удлиненные внутренние кольца, специальная ширина, встроенные фланцы и нестандартные отверстия — все это рутинная продукция для производителя с собственным шлифованием — ознакомьтесь с нашими возможностями изготовления нестандартных прецизионных подшипников по индивидуальному заказу, прежде чем перепроектировать узел вокруг втулки, которая никогда не была правильным ответом. Подшипники с фланцами решают ту же проблему со стороны монтажа, устраняя необходимость в отдельном корпусе, который в противном случае потребовался бы при установке с опорным блоком.

Практический контрольный список выбора

Проведите любое решение о ротационной поддержке через эту последовательность по порядку; первая строка, дисквалифицирующая кандидата, экономит затраты на его прототипирование.

1. Запишите радиальную нагрузку в ньютонах, осевую нагрузку и то, сопровождает ли их удар или вибрация.
2. Запишите рабочую скорость в об/мин и рабочий цикл — непрерывный, прерывистый или колебательный.
3. Запишите окружающую среду: влажность, смыв, химикаты, пыль, перепады температур.
4. Установите целевой срок службы в часах и преобразуйте его в номинальный срок службы L10 для любого скользящего варианта.
5. Установите предел шума и допуски при монтаже, которые должна выдерживать опора.
6. Зафиксируйте конверт: диаметр вала, отверстие корпуса и доступную ширину — они позволяют выбирать серию быстрее, чем любая брошюра.
7. Оцените годовой объем и потолок удельной стоимости; ниже определенного объема дополнительная разработка экзотических заменителей никогда не окупится.
8. Только вот сравните кандидатов: низкая скорость плюс ценовое давление благоприятствуют рукаву; высокая радиальная нагрузка благоприятствует иглам или двухрядному шарику; коррозия благоприятствует нержавеющей стали; Шум предпочтителен для полимерных протекторов или ступенчатых малошумных подшипников; невозможные конверты предпочитают нестандартные размеры.

Последовательность существует, потому что замены терпят неудачу по предсказуемой схеме: выбираются по одному атрибуту, уничтожаются другим. Решение, принятое против всех восьми линий одновременно, остается в силе после контакта с производством.

Часто задаваемые вопросы о замене шарикоподшипников

Могу ли я вставить вал непосредственно в пластиковое отверстие вместо подшипника?

Да, при небольшой скорости и умеренной нагрузке. Рассверлите отверстие, чтобы контролировать зазор, во влажных условиях отдавайте предпочтение маркам с наполнителем из ацеталя или ПТФЭ, а не нейлону без наполнителя, и добавляйте диаметральный зазор примерно 0,03–0,05 мм на небольших валах, чтобы учесть разбухание и износ. Ожидайте, что зазор будет увеличиваться в течение срока службы продукта; для игрушек и медленных крышек это приемлемо, для всего, что требует выравнивания, — нет.

Какая самая дешевая тихая замена при большой громкости?

Втулка из спеченной бронзы, пропитанная маслом. Он самосмазывающийся, работает бесшумно, стоит очень мало и поглощает удары, которые могут вызвать бринеллирование дорожки качения шарика. Его пределом является значение PV: проверьте его на самой высокой непрерывной скорости, а не на средней, и настаивайте на спецификации отделки вала на своем чертеже.

Действительно ли шайбы из ПТФЭ заменят подшипник в сборке, сделанной своими руками?

Да, для медленного, легкого и низкоточного вращения — шайба из ПТФЭ, прижатая к гладкой твердой поверхности, является законным решением и не ржавеет. Для всего, что подвергается длительной нагрузке, выберите марку ПТФЭ с наполнителем, чтобы противостоять хладотекучести, или добавьте упорную шайбу из полированной стали, чтобы разделить износ. Не ждите повторяющегося рабочего зазора.

Является ли игольчатый роликоподшипник заменой шарикового подшипника?

Да, по радиальной нагрузке и часто по диапазону — иглы с вытянутой чашкой подходят к одним и тем же отверстиям корпуса и с большим запасом опережения шариков. Во всем остальном — нет: планируйте минимальную осевую направляющую, малый допуск на перекос, закаленный шлифованный вал и, для тонких вытянутых чашек, стенку корпуса, достаточно прочную, чтобы действовать как внешнее кольцо.

Выживают ли пластиковые втулки на открытом воздухе и в воде?

Ацеталь и ПТФЭ хорошо справляются с водой, моющими средствами и погодными условиями; нейлон впитывает влагу и набухает, поэтому для эксплуатации во влажных условиях ему требуется большой зазор или другой полимер. Солнечный свет с годами разлагает многие ненаполненные пластики, поэтому при проектировании наружных работ следует использовать сорта, стабилизированные к УФ-излучению. Ни один из них не подвергается коррозии, и это основная причина, по которой их выбирают для влажных ниш.

Какой вариант самый тихий?

Полимерная втулка или колесо с полиуретановым протектором практически бесшумны на низкой скорости. Внутри герметичного корпуса малошумный радиальный шарикоподшипник с чистой сборкой обычно превосходит втулку, поскольку шум втулки возвращается в виде скрипа, как только износ увеличивает зазор. Прежде чем сделать выбор, выясните источник шума: шум протектора, шум подшипников и шум клиренса имеют разные способы устранения.

Могу ли я решить проблему ржавчины, не оставляя шарикоподшипники?

В большинстве случаев да — и это лучший инженерный ответ. Выберите подшипник из нержавеющей стали, соответствующий химическому составу, с контактными уплотнениями и совместимой смазкой, и приложение сохранит эффективность и точность качения, а источник коррозии исчезнет. Зарезервируйте пластиковую втулку для случаев, когда влажная среда сочетается с низкой скоростью и низкими требованиями к точности.

Практичны ли воздушные или магнитные подшипники для обычной техники?

Редко. Оба требуют вспомогательной инфраструктуры — фильтрованного сжатого воздуха, управляющей электроники, датчиков, резервных систем посадки — которая перевешивает их преимущества, если только основной ценностью продукта не является экстремальная скорость, экстремальная точность или среда, полностью свободная от частиц. Их оправдывают стоматологические наконечники, вакуумные насосы и метрологическое оборудование; тележки, приборы и двигатели — нет.

Имеете в виду конкретный вал? Отправить условия работы

Каждое сравнение в этой статье сводится к короткому списку входных данных. Чтобы замена была проверена на основе реальных производственных данных, отправьте приведенные ниже условия, и рекомендация вернется с письменными компромиссами, включая то, что потерпит неудачу в первую очередь и с какой разницей.

• Радиальные и осевые нагрузки в ньютонах, а также любой профиль ударов или вибрации.
• Рабочая скорость в об/мин и рабочий цикл.
• Окружающая среда: влага, химикаты, смыв, пыль, температурный диапазон.
• Диаметр вала, отверстие корпуса и доступная ширина с допусками.
• Целевой срок службы в часах и любой предел шума.
• Годовой объем и потолок себестоимости единицы продукции.

Производство осуществляется на нашем производственном филиале в Нинбо, сертифицированном по стандарту ISO 9001:2015, годовая мощность которого составляет 30 миллионов комплектов радиальных подшипников из хромированной и углеродистой стали, подшипников из нержавеющей стали серии S марок 304 и 440C, роликов с полиуретановым и пластиковым покрытием, серий фланцев и нестандартных геометрий, отшлифованных по чертежам заказчика. Проекты OEM и ODM начинаются точно с приведенного выше списка — нагрузки, скорости, среды и конверта — и проверяются на образцах перед принятием окончательного решения по объему. Когда честный ответ будет заключаться в том, что втулка, игольчатый ролик или модернизированная опора лучше подшипника, который вы используете в настоящее время, вы тоже это услышите; цель — правильная поддержка долга, а не та часть, которую мы имеем в запасе.